NO120199B - - Google Patents

Description

Elektromotor med variabel reluktans

og variabel hastighet.

/

Foreliggende oppfinnelse angår en elektrisk motor med variabel reluktans omfattende en rotoraksel som med innbyrdes avstand bærer to parallelle skivelignende organer som på sine mot hverandre vendende sider er forsynt med tilsvarende tenner dannet av aksialt fremspringende ferromagnetiske lameller adskilt fra hverandre ved hjelp av et umagnetisk materiale, og en stator som koaksialt med nevnte aksel har en magnetiseringsvikling og en ring av magnetiske elementer som er innbyrdes adskilt og jevnt fordelt og hver er forsynt med minst én statorvikling, hvor det er luftgap mellom de magnetiske elementer og hver av nevnte skivelignende organer, idet tennene er innrettet for passering i nevnte luftgap, og hvor statoren omfatter minst én gruppe på fire på hverandre folgende magnetiske elementer, idet hver av de skivelignende organer er utstyrt med en tann for hver av nevnte grupper på fire magnetiske elementer, og en bryteranordning for selektiv forbindelse av nevnte statorviklinger med en kildBfor likestrom.

Det er tidligere kjent å anvende elektriske maskiner med variabel reluktans, som har rotorer uten ledere, såsom motorer med variabel hastighet, takket være en kommutering av statorviklingene som vanligvis bevirkes ut fra rotorens bevegelse ved hjelp av en egnet elektronisk anordning, men at den motelektromotoriske kraft som induseres i disse viklinger ved forandringer i den magnetiske fluks på grunn av en forskyvning av rotorens tenner, varierer periodisk med en frekvens i avhengighet av rotorens omdreiningshastighet, hvilket har til folge at det moment som de bevirker for en gitt stromstyrke, ikke er konstant.

Foreliggende oppfinnelse har til oppgave å muliggjore fremstillingen av motorer med variabel reluktans som frembringer et konstant moment for en bestemt stromstyrke.

Oppfinnelsen utmerker seg ved at hver gruppe består av to par av de magnetiske elementer hvor påfolgende elementer tilhBrer hvert sitt par, idet hver av nevnte tenner overlapper komplementære områder av hvert av de nevnte par i hvilken som helst av rotorens vinkelstillinger.

Ifolge en spesiell utforelsesform av oppfinnelsen har en likestrSmmotor med variabel reluktans en generell konstruksjon som

har store likheter med den som er beskrevet i svensk patent 315.943 av samme sHker, og som angår en elektrisk maskin med variabel reluktans med konstant fluks. Således består nevnte motor av en sylindrisk sentral kjerne av ferromagnetisk materiale, en stator med en magnetiseringsvikling i form av en sylindrisk ring som koaksialt omgir kjernens midtparti, poler, i det fBlgende kalt elementer av

ferromagnetisk materiale som er magnetisk uavhengig av hverandre og anordnet i stjerneform omkring magnetiseringsspolen og en rotor med to tannkranser som utgjores av rene jernlameller som er adskilt ved hjelp av en luftskikt eller et isoleringsmateriale og anbragt paral-lelt på den sentrale kjernes aksel symmetrisk i forhold til statorelementenes medianplan og i dens retning på to segmenter av ferromagnetisk materiale som kan rotere omkring den sentrale kjernes aksel for å la de nevnte tenners ytre kanter passere symmetrisk i forhold til og i nærheten av de nevnte aksiale ender av elementet.

Et karakteristisk trekk ved denne spesielle utfBrelsesform er at statoren er forsynt med et antell elementer som tilsvarer et multiplum av fire, idet hver rotorkrans bærer et antell tenner som

lik en fjerdedel av statorens elementer.

Et annet karakteristisk trekk ved en utforelsesform av oppfinnelsen er at hvert element har to spoler som sr viklet i motsatt retning og elementene er sammenkoblet ved hjelp av sine viklinger i grupper på fire parvis forskutte med såkalt overlappende forbindelse, idet de to elementer i hvert par har seriekoblede spoler med motsatte viklinger.

Et ytterligere trekk vBd denne utfBrelsesform består i at hver rotortann i hvert Byeblikk dekker de komplementære flater av fire etterfBlgende blokker parvis forskutte på en overlappende måte og at mellomrommene mellom to etterfBlgende tenner opptar like stor flate som en tann.

Da en tanns bevegelse i en luftspalte bevirker at magnet-fluksen forandrer seg proporsjonalt med forandringen av den mengde ferromagnetisk materiale som befinner seg i luftspalten for en bestemt rotorhastighet, varierer den i hvert elements spole induserte elektromotoriske kraft i samme forhold, men da på den annen side flatene som dekkes av to elementer i samme par, er komplementære, blir summen av fluksene som gjennomstrommer dem, konstant og da de innbyrdes motsatte spoler i disse elementer er seriekoblet, adderes de i disse spoler induserte elektromotoriske krefter og endelig blir summen av de elektromotoriske krefter som induseres i spolene i hver gruppe på to par elementer konstant fordi elementparene er anordnet forskutt på den overlappende måte.

Oppfinnelsen skal forklares nærmere i folgende beskrivelse undBr henvisning til tegningene, hvor fig. 1 er et skjematisk opp-riss med halvparten i aksialsnitt av en motor ifolge oppfinnelsen, fig. 2 viser motoren ifBlge fig. 1 sett fra venstre og med halvparten i snitt etter linjen A - A i dens ovre del for å vise stator-blokkene og i dens nedre del etter linjen B - B for å vise rotortennene, fig. 3 viser et prinsippskjerna for spolene i den på fig. 1

og 2 viste motors statorblikk og disse spolers anordning for synkron kommutering og fig. 4 viser en forsBkskurve som fremstiller de elektromotoriske krefter som induseres i viklingene i to par etter hverandre folgende statorblokker ved passeringen av en rotortann i en maskin ifBlge fig. 1 og 2 som arbeider som vekselstrBmmotor.

Den som utfBrelseseksempel på oppfinnelsen på tegningene viste motor er konstruert ifBlge prinsippet for elektriske maskiner med variabel reluktans med uavhengige statorelementer som beskrevet i nevnte patent og har samme gsnerelle oppbygning.

Rotoren 1 består av en sentral kjerne 10 som roterer omkring en aksel 11 i maskinen som utgjor forlengelsen av akselen 111»som er lagret i lågere 112, 113 og bærer to innbyrdes og i forhold til et på akselen 11 loddrett plan symmetriske segmenter 12, 13 som hvert er forsynt med åtte tenner 121 - 128 og 131 - 138 som danner symmetriske fremspring i det nevnte plans retning.

Statoren 2 har en generell ringform og fastholdes i rommet mellom den sentrale kjerne 10, segmentene 12, 13 og deres tenner f.eks. 121 og 131, ved hjelp aven mantel eller kapsel 20 som omfatter en sokkel 200 og helt omslutter rotoren 1, hvis aksel 111 bæres ved hjelp av lagrene 112, 113. Den omfatter i det ringformede rom mellom rotortennene en ring med toogtredve elementer 201 -232, hvorav hver enkelt er omgitt av to spoler, f.eks. 211 og 212, viklet i motsatt retning som vist på fig. 3 og i det ringformede rom mellom de deler av segmentene 12 og 13 som ikke er forsynt med tenner, en magnetiseringsvikling 21, hvis aksel er parallell med akselen 11 og meget tett omslutter den sentrale del av rotorens 1 kjerne 10.

Tennene, f.eks. 121, 131, utgjores på samme måte som i det allerede nevnte patent, av rene jernlameller som er adskilt ved hjelp av et isolerende materiale på en slik måte at den andel av rent jern i tannvolumet som overstiger de tilsvarende flater av segmentene 12, 13, ligger mellom 0,5 og 0,85. De har en slik form at hver enkelt av dem i hvert oyeblikk dekker komplementflåtene av to alternerende elementer og elementene har en slik form at forandringen av den over-flate av et element som dekkes av en tann som folge av dennes vinkel-forskyvning, blir lineær under hver halvdel av elementets overdekning, idet den oker under den forste halvdel og avtar med samme absolutte verdi under den annen halvdel.

Fig, 3 viser skjematisk spolene i en gruppe av to par ele-r menter 201, 203 og 202, 204 og prinsippet for disse spolers synkrone kommutering ved hjelp av en anordning 3 som er vist i form av en elektromekanisk anordning for at man lettere skal forstå dens rolle, men som i praksis utgjores av en elektronisk anordning for synkron kommutering av klassisk type. De åtte grupper av to par elementer har sine tilsvarende spoler parallellkoblet ved inngangsklemmene 311, 312 - 321, 322 - 331, 332 og 341, 342 i anordningen 3, som vist med piler som symboliserer et flertall slike klemmer. Elementet 201 har to spoler 211, 212 viklet i motsatt retning og elementene 202,

203 og 204 har respektive spoler 221, 231 og 241 viklet i samme, retning som spolen 211 og spolene 222, 232 og 242 viklet i samme retning som spolen 212. De i motsatt retning viklede spoler i elementene 201 og 203 på den ene side og elementene 202, 204 på den annen side er

seriekoblet, dvs. spolen 211 med spolen 232 og spolene 221, 231,

241 henholdsvis med spolene 242, 212, 222.

Når magnetiseringsviklingen 21 er stromforende og kommuteringsanordningen 3 frakoblet, vil rotoren dreie seg på en slik måte at tannen 121 passerer foran elementene 204 til 201, og de spenninger som opptrer mellom klemmene 311, 332 for de seriekoblede viklinger 211, 232 er vist i den heltrukne kurve på fig. 4, mens de spenninger som opptrer mellom klemmene 321 og 342 for de seriekoblede viklinger 221, 242 er vist med strektukne linjer på samme figur.

Man ser at signalene har i det vesentlige trapesform, hvilket lettBr den kommutering som anordningen 3 skal bevirke.

Kommuteringsanordningens 3 oppgave består i å la det passere strommer i spolens for hvert element, hvis amperevindinger addares til mgnetiseringsstrommens amperevindinger som er konstante i viklingen 21 når den av tannen dekkede blikkflate oker og fra hvis amperevindinger subtraheres magnetiseringsamperevindingene når denne flate, eller uttrykt på en annen måte, når den mengde jern som er tilsteds i angjeldende elements luftspalte, avtar.

For å vise et karakteristisk oyeblikk for kommuteringen av disse spolesynkron med rotorens rotasjon er der på fig. 3 vist en rotortann 121 som etterlater elementet 201 helt åpent og folgelig helt dekker elementet 203 og halvparten av flaten av hvert av elementene 202, 204, Hvis man antar at rotoren dreier seg mot urviser-nes retning, vil tannens 121 bevelse med utgang i den viste stilling la denne begynne å dekke over elementet 201 og legge elementet 203 fritt, mens variasjonen på grunn av dens forskyvning av den dekkede flate for hvert av elementene 202, 204, forandrer fortegn,

Kommuteringsanordningen 3 har en likespenningskilde 30 som periodisk mater fire etter hverandre folgende kombinasjoner av de seriekoblede spoler<1>for elementene 201 til 204 på en måte som sym-boliseres av tilkoblingen av to par kontakter 301, 303 og 302, 304 til to styrekammer 300, 305 med sirkulær profil synkronisert med rotorens omdreining på en slik måte at de roterer i samme retning med en hastighet som er åtte ganger storre med en innbyrdes fase-forskyvning på it/2.

Styrekammen 300 forbinder vekselvis med kildens 30 positive klemme inngangen 311 til elementets 201 spole 211 vad hjelp av kontakten 301, og inngangen 331 for elementets 203 spoler 231 ved hjelp av kontakten 303, Styrekammen 305 forbinder avvekslsnde kildens 30 negative klemme med en forsinkelse på en kvart omdreining av styrekammsn 300, utgangen 322 for spolen 222 i blokken 202 ved hjelp av kontakten 302 og utgangen 342 for spolen 242 i elementet 204 ved hjelp av kontakten 304. KlemmenB312, 321, 332 og 341 er sammenkoblet. Når således kontakten 301 er sluttet, kobles spolene 211, 232 suksessivt i serie med spolene 221, 242 ved hjelp av kontakten 304 og med spolene 241, 222 ved hjelp av kontakten 302.

Mår kontakten 303 er sluttet, kobles på samme måte igjen spolenes 231, 212 krets gjennom spolene 241, 222 i serie ved hjelp av kontakten 302 og gjennom spolene 221, 242 i serie ved hjelp av kontakten 304.

Kontaktene 301 og 303 er samtidig den forste sluttet og den annen åpen hver gang en tann i forhold til elementet 201 og 204 befinner seg i den på fig. 3 viste stilling for tannen 121, dvs.

etter hver åttendedels omdreining av rotoren og deres omkastningsmanover finner sted hver gang tannen er flyttet frem to elementer, dvs. når rotoren har rotert en sekstendedels omdreining med denne stilling som utgangspunkt. Kontaktene 302 og 304 sluttes henholdsvis åpnes hver gang en tann har flyttet seg frem et element i forhold til tannens 121 stilling, på fig. 3, dvs. en toogtredvetedels omdreining av rotoren senere og deres omkastningsmanover finner sted en sekstendedels rotoromdreining senere.

Således avgir spoleaggregatet 211, 232 og 212, 231 et i det vesentlige trapesformet signal med en frekvens som er seksten ganger rotorens omdreiningshastighet uttrykt i antall omdreininger pr. sekund og spoleaggregatet 221, 242, 222, 241 avgir et i det vesentlige trapesformet signal med samme frekvens, men faseforskjovet med en toogtredvetedels omdreining eller en halv periode i forhold til foregående.

I den på fig. 3 viste stilling mates spolene 211 og 232, hvori der frembringes et signal med positiv helning, ved hjelp av kontaktene 301, 304, i serie med spolene 221, 242, hvori der oppstår et signal, hvis helning forandrer fortegn og blir negativ, mens spolene 231, 212 frakobles, ved at kontakten 303 åpnes. Etter dreining av rotoren en toogtredvetedels omdreining og fBlgelig en kvart omdreining for styrBkamskinene 300 og 305, frakobles på samme måte spolene 221, 242 ved at kontakten 304 åpnes,mens spolenes 211, 232 krets, hvis signal forandrer helning, igjen kobles i serie med spolene 241, 222, ved at kontakten 302 sluttes osv. Den samlBde elektromotoriske kraft forblir således konstant i den utstrkning som kommutBringstidene sr ubetydeligs. Derav folger at når dsn fra kildsn 30 lavarte strom er konstant, er også motorens dreiemoment konstant.

Claims (3)

1. Elektrisk motor med variabel reluktans omfattende en rotoraksel som med innbyrdes avstand bærer to parallelle skivelignende organder som på sine mot hverandre vendende sider er forsynt med tilsvarende tenner dannet av aksialt fremspringende ferromagnetiske lameller adskilt fra hverandre ved hjelp av et umagnetisk materiale, og en stator som koaksialt med nevnte aksel har en magnetiseringsvikling og en ring av magnetiske elementer som er innbyrdes adskilt og jevnt fordelt og hver er forsynt med minst én statorvikling, hvor det er luftgap mellom de magnetiske elementer og hver av nevnte skivelignende organer, idet tennene er innrettet for passering i nevnte luftgap, hvor statoren omfatter minst én gruppe på fire på hverandre folgende magnetiske elementer, idet hver av de skivelignende organer er utstyrt med en tann for hver av nevnte grupper på fire magnetiske elementer, og en bryteranordning for selektiv forbindelse av nevnte statorviklinger med en kilde for likestrom, kar<p>kterisert ved at hver gruppe består av to par av de magnetiske elementer (fig. 3; 201, 203 og 202, 204) hvor på-følgende elementer tilhorer hvert sitt par, idet hver av nevnte tenner (121) overlapper komplementære områder av hvert av de nevnte par i hvilken som helst av rotorens vinkelstillinger.

2. Elektrisk motor ifolge krav 1,karakterisertved at de magnetiske elementer og de nevnte tenner er slik utformet og anbragt at den elektromotoriske kraft som induseres i nevnte statorviklinger ved rotorens omdreining, er en vekselspenning med hovedsakelig trapesform og at statorviklingene i hvert par elementer (201, 203 og 202, 204), er viklet i motsatt retning og seriekoblet, slik at for en gitt hastighet på rotoren er den magnetiske fluks i hver rotortann konstant.

3. Elektrisk motor ifolge krav 2, og hvor en selektiv forbindelse av statorviklingen med en likestromkilde utfores over en bryteranordning som er synkronisert med rotorens omdreining,karakterisert vedat amperevindingene som frembringes ved den resulterende strom i statorviklingene har en additiv virkning på det felt som dannes ved nevnte magnetiseringsvikling i et magnetisk element, hvis overlappingsområde for en rotortann er Bkende og en subtraktiv virkning på nevnte felt i det vekslende magnetiske element i samme par.